CN105160075B - 一种农田灌区明渠自动测流数学模型的应用 - Google Patents

Abstract

一种农田灌区明渠自动测流数学模型的应用，所述应用是基于农田灌区明渠自动测流数学模型，实现农田灌区明渠自动测流的应用；所述数学模型是由测流装置和控制系统构成；所述应用是将灌区明渠测流装置模型固定于被测渠道上方，将摆杆置入明渠中，水流冲击摆杆使其偏转一定角度，通过光电编码器的脉冲信号采集摆杆偏转角度，将摆杆偏转角度与之前建立的数学模型相对比，得出农田灌区明渠渠道流量。本发明通过建立数学模型，利用水流冲击摆杆使其偏转一定角度来检测农田灌区明渠流量，并通过单片机技术处理，实现农田灌区明渠自动测流，提高了测流精度，而且价格低廉，便于灌区推广应用。

Description

一种农田灌区明渠自动测流数学模型的应用

技术领域

本发明涉及一种灌区明渠自动测流装置及其测流方法，具体而言，是将自动测流数学模型的摆杆置入明渠中，水流冲击摆杆使其偏转一定角度，通过光电编码器的脉冲信号采集摆杆偏转的角度，将此角度与之前建立的数学模型相对比，得出农田灌区明渠渠道的流量。

背景技术

流量检测在农田水利及水文测验行业中具有重要的地位，它是测试技术的重要组成部分。要实现对明渠流量的实时检测，关键在于流量检测系统能否及时准确地检测流量值。随着科学技术的不断发展，明渠流量的检测装置及其方法也越来越多。我国一贯运用的明渠流量测量方法以流速面积法、堰槽法、水位流量关系法为主，也有试验性的溶液法测流，声学法测流也逐渐成为新的一种测流手段。

明渠测量中以传统的三角堰测流为主，主要是利用堰上水头与流量的关系来计算渠道流量大小。三角堰测流量计算表达式：Q＝Ch^5/2，其中C表示相关渠道系数可查表求得，h为堰上水头，本测流操作简单，未知参数只有h，易于求出渠道流量，但是当水位比较高时水面波动较大，对水位的高度测量精度达不到相应高度，从而对流量计算存在误差。

随着声波的引入对明渠测流注入新的技术，主要利用超声波探头去测量测线上相应点的流速，在利用水利学的相关知识，可以用一点法、三点法、五点法等计算求得截面上个测线流速，对截面划分后通过测线流速求得截面流速平均流速，利用公式Q＝AV即流速面积法，算的断面流量。该测量方法相对比较复杂，但它能够比较准确的反映出水的流动情况，流量测量值相对比较准确。

目前也有一系列电磁流量计的使用，主要也是依据“流速—水位”算法，通过微处理器的实时计算，准确测量出水流的速度，进而求出流量值，但因电磁流量计在明渠测量中有着较为广泛的应用。但因其价格昂贵、安装与调试比其它流量计复杂且要求更严格等缺点，使其不能更加广泛的运用。

上述现有能够检测渠道流量的装置及方法，其不足之处仍然是受到测量环境以及使用者的经济条件等方面的约束，使其应用范围受到限制，基于此开发研究一种结构简单，测流快速便捷，成本低廉，应用范围广且不受水流测量环境的影响的农田灌溉明渠自动测流装置及其方法是非常必要的。

发明内容

针对明渠测流方法及原理，要想准确计算出断面流量，需要测量出断面测点流速以及水位相关参数，只要水里有障碍物，水的流态都会发生巨大的变化，从而导致测点流速的不准确，影响流量测量结果，当水位较高时水面波动比较大，水位测量精度要求达不到，也会大大影响流量计算结果，目前对水位变化以及测点流速把握很难，往往会导致产生测量误差，影响测量流量。

为克服上述现有技术的不足，本发明的目的是提供一种农田灌区明渠自动测流数学模型的应用。

上述目的是通过以下技术方案实现的。

一种农田灌区明渠自动测流数学模型的应用，其所述应用是基于农田灌区明渠自动测流数学模型，实现农田灌区明渠自动测流的应用；

所述农田灌区明渠自动测流数学模型是设计一灌区明渠测流装置模型固定于被测渠道上方，通过控制储水池里水位变化来控制渠道水位，待水位稳定后形成不同流量的均匀流，不同流量对应有装置的不同偏转角，角度通过光电编码器传输至单片机，流量由三角堰或者流量计测出，将获得的一系列数值拟合成一条角度和流量的函数曲线，通过反复实验来确定此函数曲线，建立角度流量数学模型，将建立不同渠道数学模型写入单片机程序，用与实际待测渠道测出角度值相比，从而输出待测渠道流量值；

所述实现农田灌区明渠自动测流的应用是将一灌区明渠测流装置模型固定于被测渠道上方，将摆杆置入明渠中，水流冲击摆杆使其偏转一定角度，通过光电编码器脉冲信号采集摆杆偏转角度，将摆杆偏转角度与之前建立的数学模型相比较，得出农田灌区明渠渠道流量；

所述灌区明渠测流装置模型是由测流装置和控制系统构成；其测量装置是由对称设置的渠道卡座上固定有升降支架支撑有检测台构成一门字型结构，并架设于农田灌区明渠渠道上；在检测台的一端安装有红外线测距仪Ⅰ，另一端安装有控制仪表盒，步进电机Ⅰ和步进电机Ⅱ设置于检测台的两端，并通过丝杆连接转动；在丝杆上通过编码器安装支架安装有摆杆及其光电编码器、红外线测距仪Ⅱ和水平仪；其控制系统是在仪表控制盒中设置有单片机、信号采集与传输电路、电源、测试及模式选择按钮和液晶显示器，并通过线连接控制有红外线测距仪Ⅰ、红外线测距仪Ⅱ、光电编码器及升降支架。

其中，所述农田灌区明渠自动测流数学模型的明渠道是U型、梯型和矩型中的一种。

实施本发明上述所提供的一种农田灌区明渠自动测流数学模型的应用，与现有技术相比，具有的优点与积极效果如下。

本发明克服了现有农田灌区明渠自动测流装置及方法受到测量环境以及经济条件等方面的约束，使得测流装置结构简单，测流测流方法快速便捷，成本低廉，应用范围广且不受水流测量环境的影响，更具有实际应用价值。

本发明通过建立数学模型，利用水流冲击摆杆使其偏转一定角度来检测农田灌区明渠流量，而且自动测流主要通过单片机技术处理实现。单片机技术作为微电子时代的一种新型技术手段，因其具有体积小、价格低、功能强、运行速度快、可靠性高以及使用方便灵活等独特的优点，用于农田灌区明渠自动测流中，提高了测流精度，实现了在线实时连续检测，且价格低廉，便于灌区推广应用。

本发明将测流技术与传感技术、自动控制技术进行了有机的结合。采用角度偏转来对农田明渠进行流量的实时检测，减少了人力物力的投入，对外部环境影响小且易于安装维护，对现代化的明渠流量检测行业的发展奠定了一定的基础。

附图说明

图1是本农田灌区明渠自动测流数学模型的应用结构示意图。

图2是本农田灌区明渠自动测流数学模型的应用的控制电路框图。

图中：1：渠道卡座；2：升降支架；3：检测台；4：步进电机Ⅰ；5：红外测距仪Ⅰ；6：丝杆；7：控制仪表盒；8：液晶显示屏；9：渠道模式选择按钮；10：测量开关；11：仪表盒卡座；12：步进电机Ⅱ；13：固定螺丝；14：编码器安装支架；15：光电编码器；16：联轴器；17：摆杆；18：水平仪；19：红外测距仪Ⅱ。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作出进一步的详细说明，使本专业的技术人员能够按照具体实施方式作出本发明所述的农田明渠自动测流数学模型，而且能够应用所述农田明渠自动测流数学模型测出待测渠道流量、数字显示并远程监控。

具体实施一种本农田灌区明渠自动测流数学模型。须在实验室建立的标准规格的U型、梯形或矩形渠道中，将一种灌区明渠测装置流数学模型固定在渠道上方，通过控制储水池里水位的变化来控制渠道中的水位，不同的水位稳定后形成不同流量的均匀流。不同的流量对应着装置不同的角度偏转，角度通过光电编码器传输至单片机，流量用三角堰或者流量计测出，把得到的一系列数值拟合成一条关于角度和流量的函数曲线。通过反复多次实验来确定此函数曲线的可靠性，即可建立角度流量的数学模型。大量的实验数据和实际渠道测量验证了数学模型的可靠性，这种新颖的数学模型也确立了一种全新的测流方法，且数学模型为发明者前期在实验室的大量工作，不会对生产者和使用者带来任何麻烦。数学模型编入控制系统程序中，使用者只需简单操作即可。

具体实施一种农田灌区明渠自动测流模型的应用是将一灌区明渠测流装置模型固定于被测渠道上方，并将测流装置的摆杆置入明渠中，水流冲击摆杆使其偏转一定角度，通过光电编码器的脉冲信号采集摆杆偏转的角度，将此角度与之前建立的数学模型相对比，得出农田灌区明渠渠道的流量。

具体实施一种农田灌区明渠自动测流的装置模型，包括测量系统、控制系统、垂直升降支架、水平位移平台和无线通讯模块；其中

本测量系统包括光电编码器安装支架14，光电编码器15，联轴器16和摆杆17。所述测量系统由编码器安装支架14与控制测量系统左右移动的水平位移平台连接，所述光电编码器15为欧姆龙500线编码器；所述联轴器16与光电编码器15是配套产品；所述摆杆17是一根直径为5mm，重量为200克，长度为60cm的铝合金实心竿，具体检测角度时，渠道水流冲击摆杆，使得摆杆有一定角度的偏转，光电编码器15通过脉冲的变化来记录角度值，并传入单片机程序中。

本控制系统，即系统的集成电路主要集中在仪表控制盒7内，包括单片机最小系统，信号采集与传输电路，电源、测试及模式选择按钮，液晶显示器，所述控制系统的核心是单片机最小系统，实验建立的不同渠道的角度流量模型写入单片机内，单片机还负责采集与处理各个信号，包括采集渠道的宽度与高度信号，渠道模式，两个步进电机的控制信号等，并通过角度偏转数值得到渠道的流量值。所述电源模块包括一个12V独立电源，并通过稳压模块提供5V电源。

本垂直升降支架包括渠道卡座1，升降支架2，步进电机Ⅰ4和固定螺丝13。所述固定卡座1采用铝合金材质，可将整个装置用螺丝和螺母固定在待测渠道上，所述升降支架2的下端焊接在渠道卡座1上，通过步进电机Ⅰ4来控制升降支架2的垂直移动。

本水平位移平台包括检测台3，红外测距仪5，丝杆6；步进电机12和水平仪18。是所述水平位移平台固定在检测台3上，通过步进电机Ⅱ12来控制丝杆6的转动使测量系统居于渠道的最中间位置来进行流量的测量。所述红外测距仪Ⅰ5用来测水平方向的距离送入单片机中控制电机的运动，所述水平仪18用来检测水平位移平台是否水平。

本无线通讯模块通过蓝牙串口与电脑或者手机传输数据，能使工作人员实时监测到流量值。

下面结合附图对本发明的具体实施方式作出具体说明。

如图1所示，实施一种农田灌区明渠自动测流数学模型的应用，包括角度测量机构，所述角度测量机构由编码器安装支架14，高精度光电编码器15，联轴器16和摆杆17几部分构成。编码器安装支架14与控制角度测量机构左右移动的丝杆连接，摆杆17是一根直径为5mm，重量为200克，长度为60cm的铝合金实心竿，具体检测角度时，渠道水流冲击摆杆17，使得摆杆17有一定角度的偏转，光电编码器15通过脉冲的变化来记录角度值，并传入单片机程序中。图1还包括控制仪表盒7，及仪表盒支架3，仪表盒上具有液晶显示8、渠道选择按钮9及电源开关与测试开关10。仪表盒支架3用来固定仪表盒7，仪表盒7内包括控制模块即单片机，信号采集与信号传输电路，无线传输蓝牙模块及电源，支架上还固定有红外测距仪5、19，水平仪18，两台步进电机Ⅰ4和步进电机Ⅱ12，及丝杆6。前期实验建立的数学模型写入单片机内，红外测距仪Ⅰ5检测渠道的宽度并将数值传入单片机，单片机程序处理后驱动步进电机转动丝杆使摆杆居于渠道中央位置进行角度测量。最终将角度通过前期建立的数学模型转换成渠道的流量值显示在液晶显示器8上，无线传输蓝牙模块可在一定距离内实现数据的无线传输，水平仪18用来调整装置使其水平，红外测距仪Ⅱ19用来检测装置距渠道底部的距离，12V蓄电池给整个控制模块供电，并通过稳压模块提供5V电源。仪表盒7面板左上角的液晶显示器8用来显示明渠的流量值，渠道选择按钮9有3个按钮，分别可选通矩形渠道、U形渠道、梯形渠道这几种常见的明渠。使用时按照具体渠道来选择渠道模式，不同的模式对应不同的数学模型。图1还包括固定装置渠道卡槽1，升降支架2和固定螺丝13。渠道卡槽1用固定螺丝13将升降支架2固定在待测渠道上，升降支架2由步进电机Ⅰ4控制其升降。

具体使用时，操作方便简单，只需用固定螺丝13将渠道卡槽1固定在待测渠道两边，并参照水平仪18将整个装置调平，打开电源，选择渠道模式，按下测试按钮，程序驱动步进电机带动丝杆和升降台使得摆杆17居于测试最佳位置，则待测渠道流量显示在液晶显示器8上。

目前在国内外的各个领域里存在着各式各样的流量检测系统。但是许多的检测装置常常受到诸多条件的制约，如价格昂贵、使用环境的局限性、安装环节的困难等，使得它们的使用范围受到限制。本发明自动测流装置结构简单，价格低廉，且操作方便。该农田明渠自动测流装置能够在一定程度上解决传统的量水方法存在的弊端，并且能实现流量的自动化测量和实时监测。同时价格相对其他量水方法低廉很多，具有广阔的应用前景。

以上描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点，本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施方式的限制，上述实施方式和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明的精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都将落入要求保护的本发明范围内，本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (2)

1.一种农田灌区明渠自动测流数学模型的应用，其特征是所述应用是基于农田灌区明渠自动测流数学模型，实现农田灌区明渠自动测流的应用；所述农田灌区明渠自动测流数学模型通过如下步骤建立：

（1）设计一灌区明渠测流装置模型固定于被测渠道上方，通过控制储水池里水位变化来控制渠道水位，待水位稳定后形成不同流量的均匀流，不同流量对应有装置的不同偏转角，角度通过光电编码器传输至单片机，流量由三角堰或者流量计测出，将获得的一系列数值拟合成一条角度和流量的函数曲线，通过反复实验来确定此函数曲线，由此，建立角度流量数学模型；

（2）将建立不同的渠道数学模型写入单片机程序，用于实际待测渠道测出角度值相比，从而输出待测渠道流量值；

所述实现农田灌区明渠自动测流的应用包括如下内容：

将一灌区明渠测流装置模型固定于被测渠道上方，将摆杆置入明渠中，水流冲击摆杆使其偏转一定角度，通过光电编码器脉冲信号采集摆杆偏转角度，将摆杆偏转角度与之前建立的数学模型相比较，得出农田灌区明渠渠道流量；所述明渠测流装置模型，包括测量系统、控制系统、垂直升降支架、水平位移平台和无线通讯模块；所述测量系统包括光电编码器安装支架、光电编码器、联轴器和摆杆；光电编码器安装支架与左、右移动的水平位移平台连接，所述光电编码器为欧姆龙500线编码器；所述摆杆是一根直径为5mm，长度为60cm的铝合金实心竿；

具体检测角度时，渠道水流冲击摆杆，使得摆杆有一定角度的偏转，光电编码器通过脉冲的变化来记录角度值，并将角度值传入单片机程序中；所述控制系统包括单片机、信号采集与传输电路，将实验建立的不同渠道的角度流量模型写入单片机内，单片机还负责采集渠道的宽度与高度信号、渠道模式、两个步进电机的控制信号，并通过角度偏转数值得到渠道的流量值； 所述垂直升降支架包括渠道卡座，升降支架，步进电机和固定螺丝；所述渠道卡座将整个装置用螺丝和螺母固定在待测渠道上，所述升降支架的下端焊接在渠道卡座上，通过步进电机来控制升降支架的垂直移动；所述水平位移平台包括检测台、红外测距仪、丝杆、步进电机和水平仪；水平位移平台固定在检测台上，通过步进电机来控制丝杆的转动使测量系统居于渠道的最中间位置来进行流量的测量；所述红外测距仪用来测水平方向的距离并将该距离送入单片机中控制电机的运动，所述水平仪用来检测水平位移平台是否水平。

2.根据权利要求1所述一种农田灌区明渠自动测流数学模型的应用，其特征是还包括如下内容：用固定螺丝将渠道卡槽固定在待测渠道两边，并参照水平仪将整个装置调平；打开电源，选择渠道模式，按下测试按钮，程序驱动步进电机带动丝杆和升降台使得摆杆居于测试最佳位置，则待测渠道流量显示在液晶显示器上。